柔性可穿戴传感器及其相应的可穿戴设备以及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种尺寸小巧、柔性程度高且输出能力高的柔性可穿戴传感器以及相应的可穿戴设备和制备方法，其中的柔性可穿戴传感器，包括：依次设置的第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层，压电层中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，且该压电层经过极化处理能产生压电信号，摩擦层中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，压电层的内表面和摩擦层的内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分，且该两个内表面相对设置，第一电极层和第二电极层分别覆盖在压电层的外表面和内表面上，间隔层具有与压电层的内表面上的凸起部分对应的中空部分，第三电极层覆盖在摩擦层的外表面上。

Flexible wearable sensor and its corresponding wearable equipment and preparation method

【技术实现步骤摘要】
柔性可穿戴传感器及其相应的可穿戴设备以及制备方法
本专利技术涉及一种柔性可穿戴传感器柔性可穿戴传感器及其相应的可穿戴设备以及制备方法，特别是涉及一种尺寸小巧、柔性程度高且输出能力高的柔性可穿戴传感器以及相应的可穿戴设备和制备方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，融合了通信技术、交互技术等能够进行信息采集与传输的可穿戴电子产品和人造电子皮肤越来越受到人们的关注，能够监测人体的运动、各项生理指标等。为此，目前，上述电子产品中的柔性传感器中常用的力电耦合机理有摩擦电式、压电式、压阻式以及电容式。压阻式和电容式的传感器由于需要外部电源供能，从而限制了传感器与人体的贴合进而影响了稳定性。因此，自供电传感器这种不需要外部电源供电，自身就能够产生电学激励信号的传感器件，为有效解决刚性电池困扰的途径之一。然而，目前的这类传感器，柔性或者采集灵敏度等方面还存在一定的缺陷。比如，测量压力的可穿戴设备大多采用小型光学电路或者力电敏感元件加橡胶腕带的形式。专利【CN103582451A】采用光学方法测量脉搏信号，但是无法直接测量脉搏跳动的压力信号。专利【CN203619542U】所设计基于压电效应的脉搏传感器虽然在厚度上取得了明显的减小，但是整体器件的厚度仍然较大并且并非完全柔性化。专利【CN107994803A】和【CN205195598U】等设计的器件虽然利用摩擦电压电效应，但是其结构尺寸大并且应用方向为纳米发电机。专利【CN103107737】设计压电摩擦复合纳米发电机结构上与本专利技术类似，但是其结构设计复杂并无法检测微弱压力，只适合作为力电转换装置。总体来说，这些传感器具有尺寸大、无法完全柔性化、输出能力低等缺陷，而使得无法更好应用在柔性穿戴设备，特别是在医学传感系统领域，由于输出能力低，灵敏度不够，对于脉搏等这些轻微的跳动，无法感知。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种尺寸小巧、柔性程度高且输出能力高的柔性可穿戴传感器以及相应的可穿戴设备和制备方法。本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：本专利技术提供了一种柔性可穿戴传感器，其特征在于，包括：依次设置的第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层，其中，压电层中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，且该压电层经过极化处理能产生压电信号，摩擦层中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，间隔层采用柔性材料制备而成，压电层的内表面和摩擦层的内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分，且该两个内表面相对设置，第一电极层和第二电极层分别覆盖在压电层的外表面和内表面上，间隔层具有与压电层的内表面上的凸起部分对应的中空部分，第三电极层覆盖在摩擦层的外表面上。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，摩擦层中含有的柔性混合材料的硅橡胶中还均匀混合有颗粒或纤维物质。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，凸起结构为金字塔结构、立方体结构、条状结构、锥台结构以及球状结构中的任意一种。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，凸起结构为金字塔结构、立方体结构、条状结构以及锥台结构中的任意一种时，每个凸起结构的六视图包括的所有边长中最长的一个边长的范围为5um-500um，凸起结构为球状结构时，其直径的范围为5um-500um。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，最长的一个边长的范围为100um-300um，直径的范围为100um-300um。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，压电层的厚度范围为90um-200um。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，压电层的厚度范围为100um-150um。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，摩擦层的厚度范围为90um-200um。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，摩擦层的厚度范围为100um-150um。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，间隔层的厚度范围为2um-500um。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，间隔层的厚度范围为100um-300um。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，第一电极层、第二电极层以及第三电极层的材质为导电金属以及导电纳米线中的任意一种或两种。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，间隔层的材料为高分子有机材料。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，第一电极层、第二电极层以及第三电极层引出的导线选用铜导线、导电纤维布、铝胶带中的任意一种。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，第一电极层、第二电极层以及第三电极层的厚度范围均为50-500nm。本专利技术提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，压电层为尺寸范围为1-5cm的正方形；间隔层为尺寸范围为1-5cm的正方形；摩擦层为尺寸范围为1-10cm的正方形。本专利技术还提供了一种可穿戴传感器设备，其中，采用上述的柔性可穿戴传感器作为传感器。本专利技术还提供了一种柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征在于，包括：步骤1，以具有氧化层的晶圆为基底并在该基底的一面形成多个阵列排布的凹陷结构以用于分别形成与各个凹陷结构分别一一对应的凸起结构的硅片模板；步骤2，将准备好的柔性混合材料与固化剂按质量比为的范围为10:1-100:1加入固化剂后置于真空泵中抽真空去除气泡得到薄膜用材料；步骤3，在步骤1得到的硅片模板的具有凹陷结构的一面涂覆薄膜用材料形成混合物薄膜后再脱离硅片模板得到具有多个凸起结构的混合物薄膜；步骤4，将混合物薄膜进行极化处理后得到极化后混合物薄膜；步骤5，采用步骤4得到的极化后混合物薄膜剪切得到压电层，并在该压电层的光滑表面和具有凸起结构的表面分别溅射或喷涂得到第一电极层和第二电极层，采用步骤3得到的混合物薄膜剪切得到摩擦电层，并在该摩擦电层的光滑表面溅射得到第三电极层，并以弹性材料剪切得到具有中空部分的间隔层，按第一电极层、压电层、第二电极层、摩擦层以及第三电极层的顺序贴合得到柔性可穿戴传感器，其中，用于剪切得到的压电层的极化后混合物薄膜，其相应的柔性混合材料中至少包括压电材料和硅橡胶，用于剪切得到摩擦层的极化后混合物薄膜，其相应的柔性混合材料中至少包括硅橡胶。本专利技术提供的制备方法，还具有这样的特征，其中，步骤1具体为：步骤1.1，将晶圆上的覆盖光刻胶后的氧化层通过光刻技术并显影后形成去除光刻胶而显露出氧化层的多个用以形成各个凹陷结构的图案；步骤1.2，步骤1.1处理后的基底浸没在缓冲氧化物刻蚀溶液中8分钟，使图案的表面的氧化层被腐蚀掉；步骤1.3，将步骤1.2处理后的基底放入丙酮溶液中以去除光刻胶；步骤1.4，将步骤1.3处理后的基底放入四甲基氢氧化铵TMAH溶液中并在70-90℃的水浴加热环境中反应30-90分钟得到具有凹陷结构的硅片模板。本专利技术提供的制备方法，还具有这样的特征，其中，当柔性材料至少包括压电材料和硅橡胶时，压电材料与硅橡胶的质量比的范围为10:100-80:100。本专利技术提供的制备方法，还具有这样的特征，其中，步骤3具体为：步骤3.1，在步骤1得到的硅胶模板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性可穿戴传感器，其特征在于，包括：依次设置的第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层，其中，所述压电层中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，且该压电层经过极化处理能产生压电信号，所述摩擦层中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，所述间隔层采用柔性材料制备而成，所述压电层的内表面和所述摩擦层的内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分，且该两个内表面相对设置，所述第一电极层和所述第二电极层分别覆盖在所述压电层的外表面和内表面上，所述间隔层具有与所述压电层的内表面上的所述凸起部分对应的中空部分，所述第三电极层覆盖在所述摩擦层的外表面上。

【技术特征摘要】
1.一种柔性可穿戴传感器，其特征在于，包括：依次设置的第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层，其中，所述压电层中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，且该压电层经过极化处理能产生压电信号，所述摩擦层中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，所述间隔层采用柔性材料制备而成，所述压电层的内表面和所述摩擦层的内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分，且该两个内表面相对设置，所述第一电极层和所述第二电极层分别覆盖在所述压电层的外表面和内表面上，所述间隔层具有与所述压电层的内表面上的所述凸起部分对应的中空部分，所述第三电极层覆盖在所述摩擦层的外表面上。2.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述摩擦层中含有的柔性混合材料的所述硅橡胶中还均匀混合有颗粒或纤维物质。3.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述凸起结构为金字塔结构、立方体结构、条状结构、锥台结构以及球状结构中的任意一种。4.根据权利要求1-3任意一项所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述凸起结构为金字塔结构、立方体结构、条状结构以及锥台结构中的任意一种时，每个所述凸起结构的六视图包括的所有边长中最长的一个边长的范围为5um-500um，所述凸起结构为球状结构时，其直径的范围为5um-500um。5.根据权利要求4所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述最长的一个边长的范围为100um-300um，所述直径的范围为100um-300um。6.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述压电层的厚度范围为90um-200um。7.根据权利要求6所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述压电层的厚度范围为100um-150um。8.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述摩擦层的厚度范围为90um-200um。9.根据权利要求8所述的柔性可穿戴压力传感器，奇特在于：其中，所述摩擦层的厚度范围为100um-150um。10.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述间隔层的厚度范围为2um-500um。11.根据权利要求10所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述间隔层的厚度范围为100um-300um。12.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述第一电极层、所述第二电极层以及所述第三电极层的材质为导电金属以及导电纳米线中的任意一种或两种。13.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述间隔层的材料为高分子有机材料。14.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述第一电极层、所述第二电极层以及所述第三电极层引出的导线选用铜导线、导电纤维布、铝胶带中的任意一种。15.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述第一电极层、第二电极层以及所述第三电极层的厚度范围均为50-500nm。16.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：其中，所述压电层为尺寸范围为1-5cm的正方形；所述间隔层为尺寸范围为1-5cm的正方形；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯晓娟，丑修建，余俊斌，何剑，穆继亮，耿文平，王超，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14